(57)【要約】【課題】水素吸蔵ボンベの加熱を簡易な制御により行い、水素の供給を効率的に行う。【解決手段】水素を吸蔵、放出可能な水素吸蔵合金を内蔵する水素吸蔵ボンベ１５と燃料電池１４とが管路１６により接続される。管路１６の内圧を測定する圧力計１７と、水素吸蔵ボンベ１５を加熱するヒータ２２が設けられる。ヒータ２２の通電が、圧力計１７の測定値に基づいて制御部２５により制御され、制御部２５は、測定値が予め定めた第１圧力以下となったときに、ヒータ２２に通電する。この通電により、水素吸蔵ボンベ１５が温められて、その水素吸蔵合金のプラトー圧が上昇し、水素が安定して放出される。また、管路１６の内圧のみに基づいた簡易な制御によりヒータ２２の通電が制御されるので、燃料電池システム１３の構造を簡単なものとすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路と、この管路内の圧力を計測する圧力計と、前記水素吸蔵ボンベを加熱するヒータと、前記圧力計の測定値に基づいて前記ヒータの通電の制御を行う制御部とを備え、
前記制御部は、前記圧力計の測定値が予め定めた第１圧力以下になったときに、前記ヒータに通電する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記ヒータの通電中に前記測定値が前記第１圧力以下となる状態が所定時間継続したときに、前記ヒータの通電を切る請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記ヒータの通電中に前記測定値が前記第１圧力以下となる状態が所定時間継続したときに、前記水素吸蔵ボンベ内の水素残量が僅かであることを外部に知らせる警告手段を備えた請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記ヒータの通電中に、前記測定値が予め定めた第２圧力以上になったときに、前記ヒータの通電を切る請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路と、この管路内の圧力を計測する圧力計と、前記水素吸蔵ボンベを加熱するヒータと、前記圧力計の測定値に基づいて前記ヒータの通電の制御を行う制御部とを備えた燃料電池システムの水素吸蔵ボンベの加温方法であって、
前記制御部は前記圧力計の測定値が予め定めた第１圧力以下であるか否かを判断し、前記測定値が前記第１圧力以下であると判断した後に、前記ヒータに通電する水素吸蔵ボンベの加温方法。
【請求項６】
前記制御部は、前記ヒータに通電した後、前記測定値が前記第１圧力以下となっている時間を計測し、その時間が予め定めた所定時間継続したか否かを判断し、継続していると判断した後に、前記ヒータの通電を切る請求項５に記載の水素吸蔵ボンベの加温方法。
【請求項７】
燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路とからなる燃料電池システムを備え、前記燃料電池を駆動電源とする、小型電動車両において、
前記燃料電池システムが、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システムであることを特徴とする小型電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システム、その燃料電池システムの水素吸蔵ボンベの加温方法、およびその燃料電池システムを備えた小型電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
身体障害者用の電動車いすや高齢者用の電動カートなどの小型電動車両について、駆動用電源としての燃料電池を有する燃料電池システムを備えたものが知られている。この燃料電池は、水素を燃料として、これを大気中の酸素と化学反応させて電気エネルギーを発生させるしくみとなっている。
【０００３】
このような小型電動車両では、燃料となる水素を吸蔵および放出する水素吸蔵合金を内蔵する水素吸蔵ボンベを備え、これから管路を通じて燃料電池（燃料電池スタック）へと水素燃料を供給する燃料電池システムが多く採用されている。
【０００４】
水素吸蔵ボンベに内蔵された水素吸蔵合金は、この発明の実施形態での水素吸蔵ボンベの水素平衡圧と水素吸蔵量の関係を表す図６に示すように、低温（Ｔ１）から高温（Ｔ２）になるほど、プラトー領域における水素平衡圧（プラトー圧）が高くなり、より高い圧力での水素の放出が行われる。このプラトー領域とは、水素吸蔵合金の水素吸蔵量に関わらず、ほぼ一定の圧力で、水素を吸蔵、放出できる領域を言う。
【０００５】
この水素吸蔵合金は、通常、吸熱反応によって水素を放出するため、水素の放出に従って水素吸蔵合金およびこれを内蔵する水素吸蔵ボンベの温度が低下する。温度低下に伴って、特性曲線が高温（Ｔ２）時から低温（Ｔ１）時にシフトし（図６中の点線参照）、プラトー圧が小さくなる。その結果、水素を放出する圧力が低下して、水素吸蔵ボンベ内の水素を十分に放出させることが難しい。
【０００６】
そこで、水素吸蔵ボンベ内の水素を十分に放出させるために、水素の放出に伴う水素吸蔵ボンベの温度低下に対応した燃料電池システムを備えた小型電動車両が提案されている。この小型電動車両は、車両本体の座面部下に設けられた燃料電池と、背もたれ部の背面に設けられた水素吸蔵合金を内蔵した水素吸蔵ボンベ（燃料ボンベ）との間に、気体誘導部を備えたものである（特許文献１  図１参照）。
【０００７】
この小型電動車両では、運転中、発熱した燃料電池により温められた座面部下の空気は、気体誘導部によって水素吸蔵ボンベに誘導され、その熱で水素吸蔵ボンベを温めるので、温度低下による水素の放出量の低下を防止することができる。
【特許文献１】特開２００７−４５３０１号公報
【０００８】
また、燃料電池システムに用いられ、水素吸蔵ボンベ（水素貯蔵カートリッジ）を保持し、水素吸蔵ボンベを通電により加熱する複数の加熱装置を有する保持部と、水素の供給量を算出するための温度、圧力および流量などの物理量をそれぞれ検出する各種センサと、各種センサの検出値に基づいて複数の加熱装置の通電を制御する制御部とを備えた水素供給装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
この水素供給装置の制御部は、各種センサの検出値によって水素の供給状態を把握し、水素吸蔵ボンベから水素の放出するための加熱条件を設定する。この加熱条件に基づいて制御部が複数の加熱装置の通電を個別に制御することで、水素吸蔵ボンベに対する加熱位置を変更し、効率的に水素を放出させている。
【特許文献２】特開２００６−１６２０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池により温められた空気が、気体誘導部によって露出した水素吸蔵ボンベに誘導されるので、大気中に拡散してしまう（特許文献１  図２、図３参照）。そのため、水素吸蔵ボンベとの熱交換効率が低くなり、水素吸蔵ボンベを効率良く温め難く、水素吸蔵ボンベから水素を十分に放出させることが難しい。
【００１１】
また、特許文献２に記載の水素供給装置は、水素吸蔵ボンベからの水素の供給量の検知に必要な物理量を得るための検出機構が複雑になる。このため、水素供給装置を用いた燃料電池システムの構造が大掛かりになるとともに複雑になるという問題がある。
【００１２】
そこで、この発明は、水素吸蔵ボンベの加熱を簡易な制御により行い、水素の供給を効率的に行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、この発明の燃料電池システムは、燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路と、この管路内の圧力を計測する圧力計と、前記水素吸蔵ボンベを加熱するヒータと、前記圧力計の測定値に基づいて前記ヒータの通電の制御を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記圧力計の測定値が予め定めた第１圧力以下になったときに、前記ヒータに通電する燃料電池システム構成を採用したのである。
【００１４】
このようにすると、管路内の圧力のみに基づいた簡易な制御によりヒータの通電が制御されるので、特許文献２の記載のもののように、水素の供給量の検出に必要な物理量を得るための複雑な検出機構が不要となり、燃料電池システムの構造を簡単なものとすることができる。
【００１５】
また、水素の放出による水素吸蔵ボンベの温度の低下に伴い、水素吸蔵ボンベの水素平衡圧と水素吸蔵量の関係を表す図６に示すように、プラトー領域における水素平衡圧（プラトー圧）が低下し、管路内の圧力が第１圧力以下となる。このとき、制御部からの指令により、通電したヒータの熱で水素吸蔵ボンベが温められ、プラトー圧が上昇する。その結果、水素吸蔵ボンベから水素燃料が放出され、管路内の圧力が上昇して、第１圧力を超えるので、安定した水素の供給が図られる。
【００１６】
ここで、第１圧力は、燃料電池での発電に対して必要な水素を水素吸蔵ボンベから供給することができる圧力をいい、燃料電池の性能、容量などに基づいて設定される。
【００１７】
また、前記制御部は、前記ヒータの通電中に前記測定値が前記第１圧力以下となる状態が所定時間継続したときに、前記ヒータの通電を切る制御を行うことができる。この制御によると、ヒータの通電により水素吸蔵ボンベの温度が上昇しても、測定値が第１圧力以下となる状態が所定時間継続したときに、ヒータへの通電を切る制御を行う。
【００１８】
ヒータの通電中に、所定時間継続して測定値が第１圧力以下となるのは、水素平衡圧が第１圧力を超えるほど上昇しない場合や水素平衡圧が上昇しない場合など、水素吸蔵ボンベ内の水素残量が僅かであるためである。このとき、ヒータの通電が切られて、燃料電池システムに備えられる二次電池の不必要な電力消費が抑えられる。
【００１９】
ここで、所定時間は、ヒータでプラトー圧が第１圧力を超える温度に水素吸蔵ボンベを温めることができる時間であり、ヒータと水素吸蔵ボンベの熱交換効率等に基づいて設定される。
【００２０】
また、水素吸蔵ボンベの交換時期を知らせるために、前記制御部は、前記ヒータの通電中に前記測定値が前記第１圧力以下となる状態が所定時間継続したときに、前記水素吸蔵ボンベ内の水素残量が僅かであることを外部に知らせる警告手段を備えたものであってもよい。
【００２１】
さらに、ヒータの通電により水素吸蔵ボンベの温度が上昇して、それとともに上昇したプラトー圧が上昇して、水素吸蔵ボンベや管路に過大な負荷をかけることを防止するために、前記制御部は、前記ヒータの通電中に、前記測定値が予め定めた第２圧力以上になったときに、前記ヒータの通電を切るようにしてもよい。
【００２２】
ここで、第２圧力は、水素吸蔵ボンベや管路が破損するおそれが高まる内圧であり、水素吸蔵ボンベおよび管路の耐久性、容量などに基づいて設定される。
【００２３】
また、この発明の燃料電池システムの水素吸蔵ボンベの加温方法としては、燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路と、この管路内の圧力を計測する圧力計と、前記水素吸蔵ボンベを加熱するヒータと、前記圧力計の測定値に基づいて前記ヒータの通電の制御を行う制御部とを備えた燃料電池システムの水素吸蔵ボンベの加温方法であって、前記制御部は前記圧力計の測定値が予め定めた第１圧力以下であるか否かを判断し、前記測定値が前記第１圧力以下であると判断した後に、前記ヒータに通電するものを採用することができる。
【００２４】
この加温方法によると、管路内の圧力のみに基づいた簡易な制御によりヒータの通電が制御されるので、水素吸蔵ボンベを加温させる構造を簡単なものとすることが可能となる。
【００２５】
この加温方法において、前記制御部は、前記ヒータに通電した後、前記測定値が前記第１圧力以下となっている時間を計測し、その時間が予め定めた所定時間継続したか否かを判断し、継続していると判断した後に、前記ヒータの通電を切るものを採用することができる。
【００２６】
この発明の小型電動車両としては、燃料電池と、水素燃料を放出および吸蔵可能な水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路とからなる燃料電池システムを備え、前記燃料電池を駆動電源とする小型電動車両において、前記燃料システムが、前述したいずれかの燃料電池システムである構成を採用することができる。
【００２７】
このようにすると、燃料電池システムが簡単な構造であり、水素燃料の効率的な供給が図られているので、小型電動車両全体を小型化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明は、管路の内圧のみに基づいた簡易な制御によりヒータの通電が制御されるので、燃料電池システムの構造を簡単なものにすることができる。
また、水素燃料の放出に従って温度が低下した水素吸蔵ボンベを、制御部で通電を制御するヒータの熱で温めるので、水素を効率良く供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
この発明の小型電動車両の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
この小型電動車両は、図１に示すように、小型の電動カート型電動車両本体１１（以下、車両本体１１と略す。）と、この車両本体１１の運転シート１２の下方に設けられた燃料電池システム１３とを備える。
【００３０】
この燃料電池システム１３は、冷却ファン付きの燃料電池１４（燃料電池スタック）と、水素燃料を貯蔵、放出する水素吸蔵ボンベ１５とを有し、水素吸蔵ボンベ１５と燃料電池１４とが管路１６により接続されている。
【００３１】
水素吸蔵ボンベ１５から放出された水素燃料は、管路１６を通じて、燃料電池１４に供給され、この燃料電池１４を走行用の駆動電源としている。
【００３２】
水素吸蔵ボンベ１５は、図２に示すように、水素を吸蔵、放出する水素吸蔵合金を内蔵する円筒形状の気密構造を有しており、有底の箱形のボンベ保持部２１に着脱可能に保持されている。
【００３３】
ボンベ保持部２１は、２枚の面状のヒータ２２を有している。両ヒータ２２は断面円弧状に湾曲し、その外周面が対向するように中央部に設けられている。両ヒータ２２は、燃料電池１４で発生した電気を蓄える二次電池（図示省略）に接続している。
【００３４】
ボンベ保持部２１に２本の水素吸蔵ボンベ１５が保持されると、図３に示すように、各ヒータ２２が水素吸蔵ボンベ１５の外周面に沿ってそれぞれ接触する。また、水素吸蔵ボンベ１５の一端部が管路１６に接続し、燃料電池１４へ水素燃料を供給することができる。
【００３５】
ヒータ２２は、ボンベ保持部２１に設ける代わりに、図４（ａ）に示すように、水素吸蔵ボンベ１５の内部に設けることができる。この場合、ヒータ２２の電極２４が水素吸蔵ボンベ１５の一端面に円環状に設けられる（図４（ｂ）参照）。
【００３６】
この水素吸蔵ボンベ１５が一端部から挿入されてボンベ保持部２１に保持されると、ヒータ２２の電極２４がボンベ保持部２１に設けた電極（図示省略）と接触し、ヒータ２２が前述の二次電池に接続される。
【００３７】
また、図５に示すように、水素吸蔵ボンベ１５と燃料電池１４とは管路１６で接続され、管路１６上には、水素吸蔵ボンベ１５から燃料電池１４にかけて、管路１６内の圧力を測定する圧力計１７と、管路１６を開閉するメインバルブ１８と、管路１６内の圧力を減圧する減圧弁１９とが順に配置されている。
【００３８】
水素吸蔵ボンベ１５内の水素吸蔵合金の特性は、図６に示すように、水素の吸蔵、放出過程における水素平衡圧と水素吸蔵量の関係によって表される。
【００３９】
ここで、第１圧力Ｐ１は、小型電動車両の運転に必要な水素を燃料電池に供給することができる圧力であり、実験、実操業に基づいて設定される。
【００４０】
この水素吸蔵ボンベ１５内の圧力は、管路１６上の圧力計１７によって測定され、測定値ｐが水素吸蔵合金の放出過程での水素平衡圧とされる。この測定値ｐに基づく信号が制御部２５に入力され、これに基づいて制御部２５がヒータ２２の通電を制御する。
【００４１】
制御部２５による、具体的な制御について図７の制御ブロック図に基づいて説明する。
小型電動車両は、図７に示す制御部２５を備え、制御部２５（ＥＰＵ：電子制御ユニット）は、内部メモリに小型電動車両の運転全般を制御する制御機能を有するプログラムを記憶するとともに、タイマを備えている。
【００４２】
制御部２５は、管路１６の圧力計１７、ヒータ２２の通電をＯＮ／ＯＦＦするヒータ駆動部２６に接続し、圧力計１７による測定値ｐに基づいてヒータ２２の通電を制御する。
【００４３】
この制御として、制御部２５は、圧力計１７により測定された測定値ｐを信号として受信し、その測定値ｐが予め定めた第１圧力Ｐ１以下であるか否かを判断する。
【００４４】
圧力計１７による測定値ｐが第１圧力Ｐ１以下であると判断されると、制御部２５はヒータ２２に通電する。通電されたヒータ２２の熱により水素吸蔵ボンベ１５が、例えば、温度Ｔ１から温度Ｔ２へ温められる。
【００４５】
これにより、測定値ｐとして測定される水素吸蔵合金のプラトー圧が、図６に示す温度Ｔ１でのプラトー圧Ｂ１から、温度Ｔ２でのプラトー圧Ｂ２へと上昇する。プラトー圧が第１圧力Ｐ１を超えるので、小型電動車両の運転に必要な水素が安定して管路１６に放出される。
【００４６】
一方、圧力計１７による測定値ｐが第１圧力よりも大きいと判断した場合、小型電動車両の運転に必要な水素が管路１６を通じて燃料電池１４に供給されているので、ヒータ２２に通電しない。
【００４７】
さらに、ヒータ２２に通電した後、制御部２５は、ヒータ２２が通電されている状態で（ヒータ２２の通電中に）、圧力計１７の測定値ｐが第１圧力Ｐ１以下となっている時間ｔをタイマにより計測し、その時間ｔが予め定めた所定時間Ｔ継続しているか否かを判断する。この所定時間Ｔ継続していない場合、すなわち、所定時間Ｔ内に圧力計１７の測定値ｐが第１圧力Ｐ１を超えた場合には、制御部２５はヒータ２２の通電を継続させる。
【００４８】
ここで、所定時間Ｔは、ヒータ２２でプラトー圧が第１圧力Ｐ１を超える温度に水素吸蔵ボンベ１５を温めることができる時間であり、実験、実操業に基づいて設定される。
【００４９】
圧力計１７の測定値ｐが第１圧力Ｐ１を超えるのは、前述のように、ヒータ２２の熱により水素吸蔵ボンベ１５内の水素吸蔵合金のプラトー圧が上昇し、管路１６内の圧力が上昇しているためである（図６参照）。この圧力上昇により、その水素吸蔵合金に十分な水素が吸蔵されていると判断されて、小型電動車両の運転に必要な水素が水素吸蔵ボンベ１５から管路１６を通じて燃料電池１４に供給される。
【００５０】
一方、測定値ｐが第１圧力Ｐ１以下となった時間ｔが、所定時間Ｔ継続した場合、制御部２５は、ヒータ２２の通電を切る。所定時間Ｔが経過した後、測定値ｐが第１圧力以下であるのは、ヒータ２２の熱による水素吸蔵ボンベ１５内の水素吸蔵合金のプラトー圧の上昇幅が小さいためである。すなわち、水素の放出により水素吸蔵量が減少し、水素吸蔵量がプラトー領域から外れ、ヒータ２２の熱により温度Ｔ１での水素平衡圧Ａ１から温度Ｔ２での水素平衡圧Ａ２に上昇しても、測定値ｐが第１圧力を超えないためである（図６参照）。
【００５１】
この場合、制御部２５は、ヒータ２２の通電を切る制御を行うことにより、通常小型電動車両に備えられている二次電池の消費電力を抑えることができる。
【００５２】
制御部２５は、さらに、ブザーや警告灯などの警告手段２７を備えて、これと接続してもよい。このようにすると、測定値ｐが第１圧力Ｐ１以下となった時間ｔが、所定時間Ｔ継続した場合、制御部２５は、警告手段２７へ信号を送り、ブザーを鳴らしたり、警告灯を点灯させたりして、外部に水素吸蔵ボンベ１５の交換を促すことができる。
【００５３】
また、制御部２５は、ヒータ２２の通電が継続されている状態において、圧力計１７により測定した測定値ｐを検知信号として受信し、この測定値ｐが予め定めた第２圧力Ｐ２よりも大きいか否かを判断する。第２圧力Ｐ２は、水素吸蔵ボンベ１５や管路１６が破損するおそれが高まる限界圧力である。
【００５４】
圧力計１７の測定する測定値ｐが第２圧力Ｐ２を超えた場合、制御部２５はヒータ２２の通電を切る。ヒータ２２の熱で加熱された水素吸蔵ボンベ１５から過剰に水素が供給され、管路１６内の圧力が異常に上昇するとともに、水素吸蔵ボンベ１５の内圧が高まり、水素吸蔵ボンベ１５や管路１６が破損する恐れがあるからである。この制御により、水素吸蔵ボンベ１５や管路の破損を防止することができる。
【００５５】
なお、この実施形態において、制御部２５は、圧力計１７の測定値ｐが予め定めた第１圧力以下になったときに、ヒータ２２に通電する制御（制御１）、ヒータ２２の通電中に測定値ｐが第１圧力Ｐ１以下となる状態が所定時間Ｔ継続したときに、ヒータ２２の通電を切る制御（制御２）、およびヒータ２２の通電中に、測定値ｐが予め定めた第２圧力Ｐ２以上になったときに、ヒータ２２の通電を切る制御（制御３）を全て行うものであるが、必要に応じて、制御１と制御２とを組み合わせた制御、または制御１と制御３を組み合わせた制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施形態の小型電動車両を示す概略図
【図２】同上の水素吸蔵ボンベとボンベ保持部とを示す分解斜視図
【図３】同上の水素吸蔵ボンベを保持したボンベ保持部を示す断面図
【図４】（ａ）同上の水素吸蔵ボンベとボンベ保持部の他の形態を示す断面図、（ｂ）他の形態の水素吸蔵ボンベの一端側から見た側面図
【図５】実施形態の管路を示す概略図
【図６】同上の水素吸蔵ボンベにおける水素平衡圧と水素吸蔵量の関係を示す説明図
【図７】同上の制御構成ブロック図
【符号の説明】
【００５７】
１１  車両本体
１２  運転シート
１３  燃料電池システム
１４  燃料電池
１５  水素吸蔵ボンベ
１６  管路
１７  圧力計
１８  メインバルブ
１９  減圧弁
２１  ボンベ保持部
２２  ヒータ
２４  電極
２５  制御部
２６  ヒータ駆動部
２７  警告手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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